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中頻電爐上面干式空心電抗器的作用和使用壽命介紹
近年來，我國500kV輸電線路迅速發(fā)展，電網(wǎng)容量越來越大，由于電壓等級(jí)高，電網(wǎng)裝機(jī)容量大，造成了系統(tǒng)短路電流增大，事故電壓波動(dòng)大，功率因數(shù)偏低，開關(guān)容量不夠和諧波電流的增加，解決這些問題的方法是在系統(tǒng)上安裝電抗器。大容量干式空心電抗器是近幾年研制開發(fā)的新型電抗器，它具有線性特性好，參數(shù)穩(wěn)定，防火性能好的特點(diǎn)，本文僅就干式空心電抗器(以下簡稱電抗器)的作用和使用壽命作一分析。
7 電網(wǎng)中含有諧波情況下的無功補(bǔ)償
7.1 對(duì)原有變流器負(fù)荷的補(bǔ)償 當(dāng)電網(wǎng)接有諧波源負(fù)載(例如變流器等)時(shí)，不能將補(bǔ)償電容器直接接于電網(wǎng)，因?yàn)殡娙萜髋c電網(wǎng)阻抗形成并聯(lián)諧振回路，在對(duì)諧振頻率進(jìn)行估算時(shí)，可以根據(jù)電網(wǎng)短路功率Sk"和電容器基波補(bǔ)償容量Qc1計(jì)算Vr=F(Qcl/Sk")。
在5次諧波頻率下電網(wǎng)具有諧振，并聯(lián)阻抗Xp大大升高，由諧波源發(fā)出的5次諧波電流流入諧振回路后，會(huì)產(chǎn)生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變。在電網(wǎng)和電容器之間流動(dòng)的平衡電流可達(dá)諧波源發(fā)出的電流的數(shù)倍，即諧波放大，此時(shí)變壓器和電容器承受大于正常情況的負(fù)荷，特別是電容器，長期運(yùn)行于過負(fù)荷狀態(tài)，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據(jù)電網(wǎng)阻抗和電容器容抗預(yù)先計(jì)算出并聯(lián)諧振頻率，調(diào)整電容器容量配置，使并聯(lián)諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。但是實(shí)際的電網(wǎng)阻抗不為常數(shù)，而時(shí)常處于不斷變化之中，很難完全避開諧振，特別當(dāng)電容器分組調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，情況更為復(fù)雜。
當(dāng)需要對(duì)接有諧波源設(shè)備的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須采取技術(shù)措施，將并聯(lián)諧振點(diǎn)移到安全位置，而實(shí)踐證明最可靠的方法就是在電容器回路中串聯(lián)電抗器。
7.2 電容器回路串電抗
電容器串電抗后形成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，在諧振頻率下呈現(xiàn)出很低的阻抗(理論上為0)。如果串聯(lián)諧振頻率與電網(wǎng)特征諧波頻率一致，則成為純?yōu)V波回路。如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。
失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，回路串聯(lián)諧振頻率通常低于電網(wǎng)的最低次特征諧波頻率，即設(shè)定為基波頻率的3.8～4.2倍。
工程計(jì)算公式為:
電抗器電抗XL=電容器容抗Xc的百分比(X%)或者:電抗器功率QL=電容器基波容量QC的百分比(X%)
電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的6%～7%。在選擇X=6%時(shí)，諧振次數(shù)為V=4.08。
失諧濾波回路只吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產(chǎn)生的諧波的大部分流入電網(wǎng)，電容器容量根據(jù)預(yù)計(jì)達(dá)到的功率因數(shù)值確定。純?yōu)V波回路的主要用途是吸收諧波，同時(shí)補(bǔ)償基波無功功率。
在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，濾波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可對(duì)相關(guān)諧波形成“短路”。
在諧振頻率以下濾波回路呈容性，因此能夠輸出容性基波無功功率以補(bǔ)償感性無功功率。在諧振頻率以上濾波回路呈感性。
由于濾波回路在諧振點(diǎn)以下呈容性，所以在其特征頻率以下又與電網(wǎng)電感形成并聯(lián)諧振回路。如果在這個(gè)頻率范圍內(nèi)沒有特征諧波，則并聯(lián)諧振對(duì)電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生危害。
設(shè)計(jì)濾波回路時(shí)，應(yīng)從最低次諧波開始，例如對(duì)于6脈動(dòng)橋式變流器的諧波，應(yīng)從5次諧波開始設(shè)置濾波回路。多個(gè)濾波回路的并聯(lián)諧振頻率。當(dāng)電容器采用△形接線，則濾波回路的諧振頻率一般設(shè)定為特征諧波頻率的96%～98%，以便平衡電網(wǎng)的頻率波動(dòng)和環(huán)境溫度變化引起的電容量的改變，濾波回路除了輸出基波無功功率外，還要承受諧波負(fù)荷，多個(gè)不同諧振頻率的濾波器在兩個(gè)過0點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)。
7.3 濾波回路的無功功率調(diào)節(jié)
由于濾波回路的主要任務(wù)是吸收電網(wǎng)諧波，所以限制了對(duì)基波無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的靈活性，只能對(duì)各個(gè)回路進(jìn)行投切，投入的順序?yàn)閺牡痛蔚礁叽?，切除的順序?yàn)閺母叽蔚降痛?。?duì)于容量較大的補(bǔ)償濾波裝置，可以采取純?yōu)V波回路和失諧濾波回路結(jié)合的方法，即純?yōu)V波回路固定運(yùn)行，補(bǔ)償基本負(fù)荷，失諧濾波回路作為調(diào)節(jié)運(yùn)行。
對(duì)于低壓諧波裝置，也可以采取多個(gè)同次濾波回路并聯(lián)的方法，但需注意以下兩點(diǎn):a)失諧濾波回路可以并聯(lián)運(yùn)行，用于對(duì)濾波效果沒有嚴(yán)格要求的場(chǎng)所。b)同次調(diào)諧濾波回路并聯(lián)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)問題。在諧振頻率下回路阻抗理論上為0，但實(shí)際上電流不可能在2個(gè)支路間平均分配，其主要原因:——由于元件制作誤差、環(huán)境溫度變化、電容器老化和元件容絲的動(dòng)作等因素影響，導(dǎo)致各支路阻抗不為0，并且互有差異。電感和電容的調(diào)諧精度的限制。不可能將兩個(gè)支路的參數(shù)調(diào)得完全一樣。如果兩個(gè)同次濾波回路中的一個(gè)在特征諧波頻率下呈感性，另一個(gè)呈容性，則會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使諧波放大。
如果經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較需要采用并聯(lián)方式，可以將兩個(gè)支路均調(diào)為在特征諧波頻率下呈感性，即ωr<v×ωl，各支路電阻接近，可以較好解決電流分配問題，但是濾波效果要降低。 如果既要吸收諧波，又要保持調(diào)節(jié)的靈活性，可以采用并聯(lián)支路的方式，即若干個(gè)同次濾波回路同時(shí)接入電網(wǎng)，各支路的電容同時(shí)并聯(lián)，形成一個(gè)總的濾波回路，調(diào)節(jié)時(shí)可以投切其中的一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)支路。這種方式不會(huì)出現(xiàn)支路間的并聯(lián)諧振，同時(shí)提高了濾波效果。除了對(duì)電容器分組調(diào)節(jié)以外，對(duì)于負(fù)載波動(dòng)頻繁的場(chǎng)合，采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及濾波裝置是最佳的解決方案。
7.4 濾波回路的選擇
選擇濾波回路有以下兩個(gè)原則:
a)主要用于吸收諧波，降低電網(wǎng)電壓畸變，基波無功補(bǔ)償居次要位置。
b)提高電網(wǎng)功率因數(shù)，同時(shí)吸收諧波，電容器容量按無功補(bǔ)償?shù)囊笈渲谩?nbsp;
7.5 濾波回路的效應(yīng)
在諧振頻率下濾波回路仍然具有電阻，因此會(huì)產(chǎn)生損耗。圖6原理圖中忽略了所有其他負(fù)載，包括電纜電容，但并不影響計(jì)算準(zhǔn)確度。
電容器容量越小，諧振曲線越陡，一旦失諧，會(huì)有大量諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)。電容器容量越大，濾波效果也越好。 品質(zhì)因數(shù)改變時(shí)諧振曲線只在特征諧波附近變化，在濾波器調(diào)諧頻率與諧波頻率相等或相近的情況下，品質(zhì)因數(shù)越高，濾波效果越好。考慮到電容器和電抗器制造技術(shù)和費(fèi)用等條件，品質(zhì)因數(shù)一般在30～80之間。
諧波分流特性只適用于諧波源和濾波器穩(wěn)定狀態(tài)，在諧波源(例如可逆軋機(jī)傳動(dòng))動(dòng)態(tài)變化過程中，諧波電流的每次改變均會(huì)引起濾波器震蕩，濾波器回路電阻越大(品質(zhì)因數(shù)越小)，則震蕩時(shí)間越短，但濾波效果要降低。對(duì)于頻繁變化的諧波源負(fù)載，在過渡過程期間，電網(wǎng)要承受較大的諧波電流。
7.6 電網(wǎng)分析與計(jì)算
設(shè)計(jì)補(bǔ)償裝置和濾波回路時(shí)，除了計(jì)算選擇元器件參數(shù)外，對(duì)于特定的供電系統(tǒng)還需要進(jìn)行具體電網(wǎng)分析，模擬出設(shè)備投入后預(yù)期的效果。
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1 電抗器的作用
1.1 電抗器的限流和濾波作用
電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，使得系統(tǒng)短路容量的額定值迅速增大。如在500kV變電所的低壓35kV側(cè)， 最大的三相對(duì)稱短路電流有效值已經(jīng)接近50kA。為了限制輸電線路的短路電流，保護(hù)電力設(shè)備，必須安裝電抗器，電抗器能夠減小短路電流和使短路瞬間系統(tǒng)的電壓保持不變。
在電容器回路安裝阻尼電抗器(即串聯(lián)電抗器)，電容器回路投入時(shí)起抑制涌流的作用。同時(shí)與電容器組一起組成諧波回路，起各次諧波的濾波作用。如在500kV變電所35kV無功補(bǔ)償裝置的電容器回路中，為了限制投入電容器時(shí)的涌流和抑制電力系統(tǒng)的高次諧波，在35kV電容器回路中必須安裝阻尼電抗器，抑制3次諧波時(shí)，采用額定電壓35kV，額定電感量26.2mH，額定電流350A干式空心單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)3次諧波形成諧振回路，即3次諧波濾波回路。同樣，為了抑制5次及以上高次諧波，采用了額定電壓35kV，額定電感量9.2mH，額定電流382A單相戶外型阻尼電抗器，它與2.52Mvar電容器對(duì)5次及以上高次諧波形成諧振回路。起到了抑制高次諧波的作用，需要說明的是，在國家標(biāo)準(zhǔn)《電抗器》 GB10229—88和IEC289—88國際標(biāo)準(zhǔn)中均對(duì)阻尼電抗器的使用和技術(shù)條件作了規(guī)定。但目前國內(nèi)有些部門將阻尼電抗器稱為串聯(lián)電抗器，嚴(yán)格來講是不合適的，因?yàn)樯鲜鰳?biāo)準(zhǔn)中均沒有串聯(lián)電抗器這個(gè)名稱。
1.2 電抗器在無功補(bǔ)償裝置中的作用
隨著我國500kV電力系統(tǒng)的發(fā)展，以及電氣化鐵路和大型鋼鐵基地的建設(shè)，在大型樞紐變電 所中需要安裝靜止補(bǔ)償裝置的趨勢(shì)越來越明顯。靜止補(bǔ)償裝置對(duì)負(fù)載突變的反映速度快(一般響應(yīng)時(shí)間為0.02～0.04s)，具有平滑的無功功率和電壓調(diào)節(jié)特性。因此它能夠穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓，有效地補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無功功率系數(shù)，抑制電壓的波動(dòng)，維持電力系統(tǒng)處于三相平衡狀態(tài)，抑制電力系統(tǒng)的次同步振蕩。此外安裝在電力系統(tǒng)樞紐點(diǎn)的靜止補(bǔ)償裝置還能起降低電力系統(tǒng)暫態(tài)超壓的作用。因此各大電網(wǎng)均要求大中型變電站必須安裝電抗器來補(bǔ)償電容性的無功功率，做到就地補(bǔ)償，就地平衡，以保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
電抗器是無功補(bǔ)償中頻電源裝置的重要組成部分之一，并聯(lián)電抗器用來提供感抗值消耗電力系統(tǒng)過剩 的電容性無功功率，這在電力系統(tǒng)初期輸送功率較小的時(shí)候以及電力系統(tǒng)后期在每日深夜輕負(fù)荷的時(shí)候都是十分必要的。因?yàn)樵谏鲜鰞煞N情況下，輸電線路的無功功率損耗小，由于電容效應(yīng)，輸電線路產(chǎn)生的無功功率大于輸電線路消耗的無功功率，在整個(gè)電力系統(tǒng)中存在剩余的無功功率(電容性)，必須安裝并聯(lián)電抗器來消耗這部分剩余的無功功率，滿足電力系統(tǒng)無功平衡的需要，維持電力系統(tǒng)的電壓水平。否則電力系統(tǒng)的電壓過高，無法安全運(yùn)行。
近年來用減少靜止補(bǔ)償裝置中晶閘管的數(shù)量，來節(jié)省整個(gè)裝置的投資，有盡可能增大電容器組(簡稱TSC)容量和并聯(lián)電抗器組(簡稱TCR)容量的趨勢(shì)。在有的靜止補(bǔ)償裝置中甚至取消了TSC回路，完全由固定電容器組(簡稱FC)代替。這樣為了保持靜止補(bǔ)償裝置具有連續(xù)平滑的無功功率和電壓調(diào)節(jié)特性，就需要加大并聯(lián)電抗器的總?cè)萘?。因此，電抗器的用量將越來越大?br />
串聯(lián)在電容器回路中的阻尼電抗器除起到前面所敘述的限制涌流和高次諧波的作用外，也起到了無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/font>
2 電抗器使用壽命的分析
電抗器在額定負(fù)載下長期正常運(yùn)行的時(shí)間，就是電抗器的使用壽命。電抗器使用壽命由制造它的材料所決定。制造電抗器的材料有金屬材料和絕緣材料兩大類。金屬材料耐高溫，而絕緣材料長期在較高的溫度、電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，會(huì)逐漸失去原有的力學(xué)性能和絕緣性能，例如變脆、機(jī)械強(qiáng)度減弱、電擊穿。這個(gè)漸變的過程就是絕緣材料的老化。溫度愈高，絕緣材料的力學(xué)性能和絕緣性能減弱得越快；絕緣材料含水分愈多，老化也愈快。電抗器中的絕緣材料要承受電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)荷和周圍環(huán)境的作用，這些負(fù)荷的總和、強(qiáng)度和作用時(shí)間決定絕緣材料的使用壽命。
這些負(fù)荷包括熱性質(zhì)的、機(jī)械性質(zhì)的和電氣性質(zhì)的，周圍環(huán)境的作用指潮濕、化學(xué)污染、灰 塵和各種射線。
由于熱作用一方面可以引起化學(xué)變化，如導(dǎo)致絕緣材料原子結(jié)構(gòu)中的鏈斷裂，分子結(jié)構(gòu)改變，分離反應(yīng)和交鏈反應(yīng)；另一方面由于金屬導(dǎo)線和相鄰的絕緣材料間的熱膨脹差別很大，而產(chǎn)生機(jī)械破壞。
因電抗器運(yùn)行產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)而引起的機(jī)械負(fù)荷有壓力、拉力、伸展、振動(dòng)。強(qiáng)度太高時(shí)， 絕緣材料會(huì)產(chǎn)生撕裂拉斷，損耗大會(huì)引起發(fā)熱而產(chǎn)生破壞。周圍環(huán)境中對(duì)電抗器起破壞作用的最普遍的是溫度高、溫度波動(dòng)大和相對(duì)濕度大；其次有強(qiáng)光照射、灰塵、細(xì)沙、煙霧等；另外還有生物(如霉菌和細(xì)菌)的影響，以及一些動(dòng)物(如白蟻)的侵害。在此要提一下各種輻射對(duì)絕緣材料均有一定的破壞作用，對(duì)于聚合的絕緣材料輻射分子量增加，或者由于鏈分裂，網(wǎng)狀組織導(dǎo)致破壞。
電抗器運(yùn)行時(shí)，它的使用壽命要受到以上各種負(fù)荷和環(huán)境的影響，其中負(fù)荷和環(huán)境的影響最大，因此，在保持足夠的機(jī)械和電氣特性下，溫度穩(wěn)定性和熱狀態(tài)均被看作是電抗器設(shè)計(jì)制造質(zhì)量的重要指標(biāo)，溫度穩(wěn)定性和熱狀態(tài)的突出影響是寧波市神光電爐有限公司科研人員研究熱負(fù)荷和壽命之間關(guān)系的原因。為此，國際電工委員會(huì)(IEC)和國家標(biāo)準(zhǔn)局制定了電抗器的IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。表1為干式空心電抗器國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值。從表1可以看出，各種絕緣材料的耐熱溫度與相應(yīng)溫升的差值，隨著絕緣等級(jí)的提高而增大。這是因?yàn)椴捎貌煌蜔岬燃?jí)的絕緣材料制造的電抗器，運(yùn)行時(shí)的溫升限值是不同的。當(dāng)溫升較高時(shí)，電抗器運(yùn)行時(shí)的熱流強(qiáng)度就要增大。一般來說，部件中溫度的分布隨熱流強(qiáng)度的增加而趨于不均勻，其平均溫度與最熱點(diǎn)溫度的差值也增大。
表1 干式空心電抗器國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值
|
絕緣等級(jí)
|
絕緣的溫度等級(jí)
|
(電阻法測(cè)得的平均值)
溫升限值
|
|
A
|
105
|
60
|
|
E
|
120
|
75
|
|
B
|
130
|
85
|
|
F
|
155
|
100
|
|
H
|
180
|
125
|
|
C
|
220
|
150
|
電抗器運(yùn)行時(shí)，它的繞組既是導(dǎo)熱介質(zhì)，又是熱源，它的溫度一般來說在空間上總是按一定規(guī)律呈曲線分布。這樣就有了最熱點(diǎn)溫升和平均溫升之分，電抗器的發(fā)熱限度以最熱點(diǎn)溫升為準(zhǔn)，平均溫升是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理和經(jīng)濟(jì)性能好壞的重要指標(biāo)。平均溫升與最熱點(diǎn)溫升之間有一定的規(guī)律性聯(lián)系?？梢杂闷骄鶞厣齺砗饬侩娍蛊鞯陌l(fā)熱情況，電抗器繞組絕緣的熱壽命和絕緣是否受損應(yīng)由繞組最熱點(diǎn)溫升來決定，而不是平均溫度來決定。干式空心電抗器的使用壽命根據(jù)蒙特申格爾(Montsinger)的壽命定律來計(jì)算式中 T——絕緣材料的使用壽命
A——常數(shù)(根據(jù)電抗器所用絕緣材料的等級(jí)確定)
α——常數(shù)，約為0.88
θ——絕緣材料的溫度
對(duì)于蒙特申格爾壽命定律的半對(duì)數(shù)θ＝f(lnT)，得到含有方向常數(shù)-1/α的直線，該直線如圖所示，這就是繞組的壽命(繞組耐熱等級(jí)為A、B和H)與繞組工作溫度的函數(shù)關(guān)系。
圖 A、B和H耐熱等級(jí)絕緣繞組的壽命與繞組運(yùn)行溫度的函數(shù)關(guān)系
從式(1)和圖中可以看出，每種絕緣材料都有一個(gè)固定的溫度變化值。在某一統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，若電抗器的最熱點(diǎn)溫度比所用絕緣材料的最高允許溫度低，則絕緣老化緩慢，壽命延長。反之，則絕緣老化加快，壽命縮短。對(duì)于電抗器的全部壽命而言，這一壽命的延長或縮短便構(gòu)成了壽命的補(bǔ)償。每種絕緣材料的壽命減小到一半或壽命增加一倍的溫度變化值是固定不變的。該溫度變化值對(duì)于A級(jí)為8℃，對(duì)于B級(jí)為8～10℃，對(duì)于H級(jí)為12℃。由于A級(jí)的Δθ＝ 8℃，因而蒙特申格爾壽命定律還稱為8℃規(guī)則，H級(jí)一般稱為12℃規(guī)則。
我們知道，每種絕緣材料均有其耐熱的絕對(duì)最高溫度(見表2)，當(dāng)超過其絕對(duì)最高溫度時(shí)， 絕 緣材料將迅速碳化而失去絕緣性能和力學(xué)性能。因此若電抗器經(jīng)常過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一定要在 訂貨時(shí)與制造廠協(xié)商，在設(shè)計(jì)和制造過程中考慮經(jīng)常過負(fù)荷的工作狀態(tài)。
表2 絕緣等級(jí)和絕對(duì)最高溫度的關(guān)系
|
絕緣等級(jí)溫度/℃
|
105(A)
|
120(E)
|
130(B)
|
155(F)
|
180(H)
|
220(C)
|
|
絕對(duì)最高溫度/℃
|
150
|
175
|
185
|
210
|
235
|
260
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7.1 對(duì)原有變流器負(fù)荷的補(bǔ)償 當(dāng)電網(wǎng)接有諧波源負(fù)載(例如變流器等)時(shí)，不能將補(bǔ)償電容器直接接于電網(wǎng)，因?yàn)殡娙萜髋c電網(wǎng)阻抗形成并聯(lián)諧振回路，在對(duì)諧振頻率進(jìn)行估算時(shí)，可以根據(jù)電網(wǎng)短路功率Sk"和電容器基波補(bǔ)償容量Qc1計(jì)算Vr=F(Qcl/Sk")。
在5次諧波頻率下電網(wǎng)具有諧振，并聯(lián)阻抗Xp大大升高，由諧波源發(fā)出的5次諧波電流流入諧振回路后，會(huì)產(chǎn)生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變。在電網(wǎng)和電容器之間流動(dòng)的平衡電流可達(dá)諧波源發(fā)出的電流的數(shù)倍，即諧波放大，此時(shí)變壓器和電容器承受大于正常情況的負(fù)荷，特別是電容器，長期運(yùn)行于過負(fù)荷狀態(tài)，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據(jù)電網(wǎng)阻抗和電容器容抗預(yù)先計(jì)算出并聯(lián)諧振頻率，調(diào)整電容器容量配置，使并聯(lián)諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。但是實(shí)際的電網(wǎng)阻抗不為常數(shù)，而時(shí)常處于不斷變化之中，很難完全避開諧振，特別當(dāng)電容器分組調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，情況更為復(fù)雜。
當(dāng)需要對(duì)接有諧波源設(shè)備的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須采取技術(shù)措施，將并聯(lián)諧振點(diǎn)移到安全位置，而實(shí)踐證明最可靠的方法就是在電容器回路中串聯(lián)電抗器。
7.2 電容器回路串電抗
電容器串電抗后形成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，在諧振頻率下呈現(xiàn)出很低的阻抗(理論上為0)。如果串聯(lián)諧振頻率與電網(wǎng)特征諧波頻率一致，則成為純?yōu)V波回路。如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。
失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，回路串聯(lián)諧振頻率通常低于電網(wǎng)的最低次特征諧波頻率，即設(shè)定為基波頻率的3.8～4.2倍。
工程計(jì)算公式為:
電抗器電抗XL=電容器容抗Xc的百分比(X%)或者:電抗器功率QL=電容器基波容量QC的百分比(X%)
電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的6%～7%。在選擇X=6%時(shí)，諧振次數(shù)為V=4.08。
失諧濾波回路只吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產(chǎn)生的諧波的大部分流入電網(wǎng)，電容器容量根據(jù)預(yù)計(jì)達(dá)到的功率因數(shù)值確定。純?yōu)V波回路的主要用途是吸收諧波，同時(shí)補(bǔ)償基波無功功率。
在串聯(lián)諧振狀態(tài)下，濾波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可對(duì)相關(guān)諧波形成“短路”。
在諧振頻率以下濾波回路呈容性，因此能夠輸出容性基波無功功率以補(bǔ)償感性無功功率。在諧振頻率以上濾波回路呈感性。
由于濾波回路在諧振點(diǎn)以下呈容性，所以在其特征頻率以下又與電網(wǎng)電感形成并聯(lián)諧振回路。如果在這個(gè)頻率范圍內(nèi)沒有特征諧波，則并聯(lián)諧振對(duì)電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生危害。
設(shè)計(jì)濾波回路時(shí)，應(yīng)從最低次諧波開始，例如對(duì)于6脈動(dòng)橋式變流器的諧波，應(yīng)從5次諧波開始設(shè)置濾波回路。多個(gè)濾波回路的并聯(lián)諧振頻率。當(dāng)電容器采用△形接線，則濾波回路的諧振頻率一般設(shè)定為特征諧波頻率的96%～98%，以便平衡電網(wǎng)的頻率波動(dòng)和環(huán)境溫度變化引起的電容量的改變，濾波回路除了輸出基波無功功率外，還要承受諧波負(fù)荷，多個(gè)不同諧振頻率的濾波器在兩個(gè)過0點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)。
7.3 濾波回路的無功功率調(diào)節(jié)
由于濾波回路的主要任務(wù)是吸收電網(wǎng)諧波，所以限制了對(duì)基波無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的靈活性，只能對(duì)各個(gè)回路進(jìn)行投切，投入的順序?yàn)閺牡痛蔚礁叽?，切除的順序?yàn)閺母叽蔚降痛?。?duì)于容量較大的補(bǔ)償濾波裝置，可以采取純?yōu)V波回路和失諧濾波回路結(jié)合的方法，即純?yōu)V波回路固定運(yùn)行，補(bǔ)償基本負(fù)荷，失諧濾波回路作為調(diào)節(jié)運(yùn)行。
對(duì)于低壓諧波裝置，也可以采取多個(gè)同次濾波回路并聯(lián)的方法，但需注意以下兩點(diǎn):a)失諧濾波回路可以并聯(lián)運(yùn)行，用于對(duì)濾波效果沒有嚴(yán)格要求的場(chǎng)所。b)同次調(diào)諧濾波回路并聯(lián)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)問題。在諧振頻率下回路阻抗理論上為0，但實(shí)際上電流不可能在2個(gè)支路間平均分配，其主要原因:——由于元件制作誤差、環(huán)境溫度變化、電容器老化和元件容絲的動(dòng)作等因素影響，導(dǎo)致各支路阻抗不為0，并且互有差異。電感和電容的調(diào)諧精度的限制。不可能將兩個(gè)支路的參數(shù)調(diào)得完全一樣。如果兩個(gè)同次濾波回路中的一個(gè)在特征諧波頻率下呈感性，另一個(gè)呈容性，則會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使諧波放大。
如果經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較需要采用并聯(lián)方式，可以將兩個(gè)支路均調(diào)為在特征諧波頻率下呈感性，即ωr<v×ωl，各支路電阻接近，可以較好解決電流分配問題，但是濾波效果要降低。 如果既要吸收諧波，又要保持調(diào)節(jié)的靈活性，可以采用并聯(lián)支路的方式，即若干個(gè)同次濾波回路同時(shí)接入電網(wǎng)，各支路的電容同時(shí)并聯(lián)，形成一個(gè)總的濾波回路，調(diào)節(jié)時(shí)可以投切其中的一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)支路。這種方式不會(huì)出現(xiàn)支路間的并聯(lián)諧振，同時(shí)提高了濾波效果。除了對(duì)電容器分組調(diào)節(jié)以外，對(duì)于負(fù)載波動(dòng)頻繁的場(chǎng)合，采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及濾波裝置是最佳的解決方案。
7.4 濾波回路的選擇
選擇濾波回路有以下兩個(gè)原則:
a)主要用于吸收諧波，降低電網(wǎng)電壓畸變，基波無功補(bǔ)償居次要位置。
b)提高電網(wǎng)功率因數(shù)，同時(shí)吸收諧波，電容器容量按無功補(bǔ)償?shù)囊笈渲谩?nbsp;
7.5 濾波回路的效應(yīng)
在諧振頻率下濾波回路仍然具有電阻，因此會(huì)產(chǎn)生損耗。圖6原理圖中忽略了所有其他負(fù)載，包括電纜電容，但并不影響計(jì)算準(zhǔn)確度。
電容器容量越小，諧振曲線越陡，一旦失諧，會(huì)有大量諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)。電容器容量越大，濾波效果也越好。 品質(zhì)因數(shù)改變時(shí)諧振曲線只在特征諧波附近變化，在濾波器調(diào)諧頻率與諧波頻率相等或相近的情況下，品質(zhì)因數(shù)越高，濾波效果越好。考慮到電容器和電抗器制造技術(shù)和費(fèi)用等條件，品質(zhì)因數(shù)一般在30～80之間。
諧波分流特性只適用于諧波源和濾波器穩(wěn)定狀態(tài)，在諧波源(例如可逆軋機(jī)傳動(dòng))動(dòng)態(tài)變化過程中，諧波電流的每次改變均會(huì)引起濾波器震蕩，濾波器回路電阻越大(品質(zhì)因數(shù)越小)，則震蕩時(shí)間越短，但濾波效果要降低。對(duì)于頻繁變化的諧波源負(fù)載，在過渡過程期間，電網(wǎng)要承受較大的諧波電流。
7.6 電網(wǎng)分析與計(jì)算
設(shè)計(jì)補(bǔ)償裝置和濾波回路時(shí)，除了計(jì)算選擇元器件參數(shù)外，對(duì)于特定的供電系統(tǒng)還需要進(jìn)行具體電網(wǎng)分析，模擬出設(shè)備投入后預(yù)期的效果。
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